新型人工腎： 讓透析不再是患者救命的“最后底牌”
關(guān)注人工器官發(fā)展③
目前，科學(xué)家在研究新型人造生物腎的征途上已經(jīng)邁出了“萬里長征第一步”，3D技術(shù)打印生物腎、干細(xì)胞培養(yǎng)的生物腎以及將動物腎進行改造后移植給人等路徑都有科學(xué)家在進行實踐。隨著腎臟替代技術(shù)的發(fā)展，這些新型人工腎最終或?qū)⒂糜谂R床，讓為透析所困的患者重獲新生。
自1943年荷蘭醫(yī)生Kolff與工程師Berk共同研制出世界上第一臺體積龐大的轉(zhuǎn)鼓式人工腎后，血液凈化技術(shù)取得了非常大的進步和發(fā)展，挽救了無數(shù)生命。然而，這種被稱為尿毒癥患者救命的“最后底牌”的透析技術(shù)，卻往往因為透析頻次多、時間長、可能出現(xiàn)透析失衡、感染等并發(fā)癥，讓許多患者望而生畏。
據(jù)2020世界頂級醫(yī)學(xué)期刊《柳葉刀》公布的全球慢性腎臟病流行病學(xué)報告顯示：截止到2017年，全球慢性腎臟病患者人數(shù)達(dá)6.975億，中國患病人數(shù)達(dá)1.323億。我國國家腎臟病醫(yī)療質(zhì)量控制中心數(shù)據(jù)顯示，我國透析患者數(shù)量已接近80萬人，而且呈逐年增長趨勢。
目前，隨著納米科技、3D打印、生物醫(yī)學(xué)、人工智能等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新型人工腎的研發(fā)取得了重要進展，有望將患者從透析中解放出來。
人工腎可挽救腎衰竭患者生命
人體內(nèi)的每個器官都各司其職。腎臟擔(dān)負(fù)著人體內(nèi)代謝廢物的排泄，以及維持酸堿平衡及各種電解質(zhì)穩(wěn)定的功能。一旦腎臟失去功能，人體內(nèi)毒素和廢物的代謝將受到很大影響，毒素和廢物排出不暢，就會堆積在體內(nèi)，對身體造成傷害。目前腎替代治療的主要方式仍然是在醫(yī)院或血液凈化中心進行透析治療。
“人工腎是可以模擬人體腎臟功能進行腎臟替代治療的裝置的統(tǒng)稱，主要包括目前臨床廣泛使用的血液透析、腹膜透析等技術(shù)設(shè)備，用于救治急、慢性腎功能衰竭患者的生命。”天津市醫(yī)學(xué)會腎病學(xué)分會委員、武警特色醫(yī)學(xué)中心腎病學(xué)科主任醫(yī)師宋潔介紹，血液透析是將血液引出體外流經(jīng)人工合成的生物膜，通過彌散、對流、吸附等原理將血液中的代謝廢物、毒素、過多的水分等清除，然后再讓經(jīng)過凈化的血液回流到人體內(nèi)。
“雖然人工腎可以挽救生命，但也存在很多弊端?！彼螡嵔榻B，全球有將近400萬人接受人工腎的替代治療，但由于透析相關(guān)并發(fā)癥多，死亡風(fēng)險高，患者平均5年生存率只有50%左右。
血液透析患者往往需每周往返醫(yī)院3—4次，每次透析耗時3—4小時，治療過程中患者需要躺在治療床上，通過特殊的管路與透析機連接。這種頻繁且被固定機器所束縛的治療模式，使患者的自由受限，嚴(yán)重影響了他們的正常生活。從能源和環(huán)保方面看，目前人工腎工作需要消耗大量的水和電。據(jù)統(tǒng)計，如果按每人每次血液透析4小時，透析液流速500毫升/分計算，每分鐘就需要用約1升的市政供水來準(zhǔn)備透析液，4小時的透析需要消耗240升市政供水。此外，血液透析的電力消耗也非常大，每年全球血液透析估計消耗27.5億千瓦時電力。
“因此，近年來，人工腎的創(chuàng)新性研究方向主要集中在如何提高尿毒癥患者長期生存率、改善其生活質(zhì)量，以及使用過程中如何節(jié)能環(huán)保。”宋潔表示。
可穿戴人工腎有望改善患者生活
近年來，科研人員一直在孜孜不倦地研發(fā)更高科技、更便攜，不影響工作、生活的人工腎。其中，離臨床最近的當(dāng)屬便攜式可穿戴人工腎。
隨著吸附劑技術(shù)、納米技術(shù)和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的進步，重量小于2公斤的可穿戴式人工腎(AWAK)已進入臨床試驗階段?！癆WAK人工腎是一款重量很輕、內(nèi)含特殊吸附劑的新型腹膜透析裝置。與傳統(tǒng)腹膜透析相比，它不需要依賴大量的透析液體，患者背著它可以隨意走動?！彼螡嵔榻B，“今年3月，還有一種名為WAK3.0的穿戴式人工腎獲批美國專利，WAK3.0僅重0.9公斤，體積更小，可像腰帶一樣佩戴。它可以模擬腎臟，24小時持續(xù)穩(wěn)定地清除患者體內(nèi)的毒素和水分，不影響患者日?；顒?。”
但由于便攜式設(shè)備經(jīng)常與人體進行連接、斷開的操作，可能會導(dǎo)致感染風(fēng)險。于是，也有科研人員嘗試將小型透析裝置直接植入人體內(nèi)。
“植入式人工腎(IAKs)是一種結(jié)合了硅納米技術(shù)和人工培養(yǎng)生物腎小管上皮細(xì)胞的模擬人工腎，重量只有約0.5公斤，目前也已植入動物體內(nèi)進行實驗?！彼螡嵳J(rèn)為，從動物實驗過渡到人體臨床試驗，還需進一步觀察硅納米膜材料與人體的生物相容性，驗證其清除廢物、凈化血液的效能。“雖然最終達(dá)到植入人體的目標(biāo)可能還需要更多研究充分驗證，但IAKs的研制仍然讓人興奮，不久的將來可能會改變許多透析患者的命運?！?/p>
目前，計算機、通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，Quanta SC+、NxStage System One等各種智慧化的血液透析系統(tǒng)的研發(fā)成功和推廣應(yīng)用，已經(jīng)使家庭透析進入遠(yuǎn)程智能化時代，患者在家中就可以安全地完成治療，時間更自由，也更節(jié)約水電，將來有望在全球范圍內(nèi)推廣。
“在我國，天津大學(xué)、四川大學(xué)、武警特色醫(yī)學(xué)中心等多家單位的專家團隊也一直致力于小型便攜式人工腎、可穿戴式人工腎的研發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了突破性進展?！彼螡嵟e例說，“比如武警特色醫(yī)學(xué)中心研制了一種便攜式人工腎，重量約12公斤，和家用電腦主機箱一樣大小，單人即可攜帶，電池驅(qū)動，方便醫(yī)護人員攜帶到地震等災(zāi)害現(xiàn)場救治重癥腎功能衰竭患者。四川大學(xué)的專家團隊也采用新材料及微型化技術(shù)，正在研制能像腰帶一樣戴在身上的佩戴式人工腎?！?/p>
人造生物腎或?qū)⒆尰颊邤[脫透析
“目前研發(fā)的人工腎，還僅僅只是一個機器。各種人工生物材料對人體來說仍然是外來物，它可以模仿人類腎臟的功能，但可能永遠(yuǎn)無法取代它。”宋潔介紹，腎移植仍然是終末期腎病患者的最佳治療方式。但用于移植的器官供求之間存在巨大差距，因此國內(nèi)外科學(xué)家們進行了大量實驗，嘗試研制出更接近天然腎臟的人造生物腎。
目前，科學(xué)家在研究新型人造生物腎的征途上已經(jīng)邁出了“萬里長征第一步”，3D技術(shù)打印生物腎、干細(xì)胞培養(yǎng)的生物腎以及將動物腎進行改造后移植給人等路徑都有科學(xué)家在進行實踐。
“目前要想通過3D技術(shù)打印生物腎臟還面臨許多挑戰(zhàn)。”宋潔解釋，一方面腎臟結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由26種不同類型的細(xì)胞組成，要達(dá)到或接近天然腎臟的功能，上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和系膜細(xì)胞都是必需具備的，這些細(xì)胞不僅要達(dá)到足夠的數(shù)量，還要能模擬天然腎臟的自分泌和旁分泌功能，來達(dá)到傳遞生物信號的作用；另一方面還需要有豐富的人類腎臟細(xì)胞來源，這就涉及到醫(yī)學(xué)倫理問題；此外，還需具備納米尺度分辨率的高速生物打印技術(shù)；最后，生物打印的腎臟在植入人體前還要經(jīng)過嚴(yán)格的生理成熟性和功能性測試。
目前，還有一些研究人員正在開展將去細(xì)胞腎臟作為移植腎臟替代方案的實驗，去細(xì)胞化是指去除所有細(xì)胞材料，即去除了出現(xiàn)負(fù)面影響的免疫原，只保留腎臟的支架結(jié)構(gòu)，包括基質(zhì)結(jié)構(gòu)和固有的生物連接，這樣動物腎臟也可以作為人體腎臟移植的潛在來源，在去細(xì)胞化后的支架結(jié)構(gòu)上重新植入一個祖細(xì)胞群，包括誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞等，形成人體新的腎臟。
盡管目前還存在很多困難，但隨著腎臟替代技術(shù)的發(fā)展，這些新型人工腎最終或?qū)⒂糜谂R床，讓為透析所困的患者重獲新生。
本報記者 陳 曦
